超级电容器实现高性能无污染特性，深入电动汽车及混合动力车应用

超级电容器实现高性能无污染特性，深入电动汽车及混合动力车应用

     超级电容器车以其优异的性能、低成本以及零排放建立了全新的交通运输电动车的设计思想。概述了超级电容器的基本原理和特点，并介绍了超级电容器在纯电动车与混合动力车上的应用及发展。

        现在，城市污染气体的排放中，汽车已占了50%以上，世界各国都在寻找汽车代用燃料。由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性，即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。

       超级电容器功率密度大，充放电时间短，大电流充放电特性好，寿命长，低温特性优于蓄电池，这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。在城市市区运行的公交车，其运行线路在20公里以内，以超级电容为能源的电动汽车，一次充电续驶里程可达20公里以上，在城市公交车将会有广阔的应用前景。

    电动汽车采用蓄电池组作储能动力源，给电机驱动系统提供电能，驱动电动机，推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车，但在行驶过程中不排放污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，结构简单，使用维修方便，是一种新型交通工具，被誉为“明日之星”，受到世界各国的青睐。

1 超级电容器简介

       超级电容器又称为电化学电容器，是20世纪70年代末出现的一种新产品，电容量高达法拉级。以使用的电极材料来看，目前主要有3种类型：高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。

1.1 基本原理

       根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器( Electric double layer capacitor，EDLC) 和赝电容器( Pesudocapacitor) 。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容; 而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。

        双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孔碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。

      在电极表面或者体相的二维或准二维空间上，电活性物资进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/ 脱附或氧化/ 还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面，而且可以深入内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。

1.2 与传统电容器、电池的区别

电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别：

( 1) 对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上，中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。

( 2) 对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关。在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。

在比能量和比功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。